VR技术提升轨道交通类实训教学质量的可行性研究

胡靖

关键词：VR;实训;轨道交通

一、背景分析

VR（Virtual Reality，即虚拟现实）是由美国VPL公司创建人拉尼尔在20世纪80年代初提出的。VR的具体内涵是：综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它利用计算机生成一种模拟环境，利用多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。

随着互联网+、大数据、云计算、人工智能等新兴技术的飞速发展，各类新兴技术在各行业中成为决定生产力的关键因素，这些技术对于职业教育行业也产生了巨大的影响。随着《国家业教育改革实施方案》的各项政策逐步落地，对职业教育培养的技能型人才提出了更高的要求，同样需要职业院校运用先进的科学方法和手段，满足企业对于高素质高技能人才的需求，这一点在轨道交通行业显得尤为突出。

截至2020年年底，我國内地累计有40个城市开通轨道交通运营，轨道交通历程突破7545千米，轨道交通行业已经进入又一个十年发展黄金期，在接下来十年发展期内，轨道交通行业必将经历较大变革，其中主要的问题为轨道交通建设投资较大，许多中小城市跟风建设，且经过几十年的发展，各大型城市线路趋于饱和，对于人才需求也从专精型人才逐步转变为技能复合型人才。在这样的背景下，对于职业院校的人才培养提出了更高要求，对人才技能要求更全面，也对各职业院校实训设备的全面性提出了更高要求。因此解决实训场地占地广、实训设备造价昂贵等问题成为了轨道交通类专业建设中的关键一环，而虚拟现实技术的进一步发展，为解决这类问题提供了更优的选择。2016年中国的VR市场规模为34.6亿元，到2021年，经过5年发展，预计中国会成为全球最大的VR市场，行业整体规模将达到790.2亿元，而在其中，教育和培训的巨大需求是VR市场快速增长的主要原因，可见VR技术在教育领域广阔的发展前景。

二、VR技术在教育教学中的前景

教育部提出的《职业教育提质培优行动计划（2020-2023）》明确提出，在全国范围内遴选出100个左右示范性虚拟仿真实训基地，将虚拟仿真技术与人工智能、职业教育实训教学深度融合，解决职业教育高投入、高损耗、高危险、难实施、难再现、难观摩的问题，利用示范性虚拟仿真实训基地的资源共享、辐射周边，解决实训教学资源不足问题，在2022年基本实现“三全两高一大”的发展目标。

教育部在2018年印发《教育信息化2.0行动计划中》，已将VR技术明确列入教育信息化建设的重点任务中，在国家层面对于VR技术能带动教育行业发展，提升教学效果充满了信心。2021年7月，教育部确定职业教育示范性虚拟仿真实训基地培育项目，全国共215个虚拟仿真实训基地项目入选，通过示范性虚拟仿真实训基地项目建设，达到赋能虚拟仿真实训教学优势，推进职业教育现代化进程，辐射带动区域职业教育综合发展等意义，教育部明确提出要重视虚拟仿真技术，将虚拟仿真技术作为改革传统教学方法、创新人才培养模式的重要手段，加强虚拟仿真技术在职业教育领域的应用与研究。全国首个国家职业教育虚拟仿真示范实训基地也将在2021年10月亮相，标志着虚拟仿真技术在职业教育中的发展进入了新的阶段。

北京师范大学关于AR技术在教育行业的案例做过统计，例如在高等教育的立体几何教学中，利用AR技术将2D图形与3D图形相结合，免去手工建模的麻烦。增强现实技术（AR）在近几年的医学教学领域发挥了巨大的作用，微软公司在AR眼镜的发布会上就展示了在医学教育领域的能力，可以单独观察某一器官的运动，还可以观察到不同层次的人体结构;在教育书籍方面，将AR技术融入图书，利用AR技术进行辅助阅读，增加了阅读的趣味性;VR/AR技术用于科技馆、博物馆等场地针对市民的科普教育，例如中国科技馆的“天工开物”和“祖国山河”等项目，游客在游览时，可以通过虚拟模型直观地认识各类器物。

三、VR技术在轨道交通行业员工培训中的应用

城市轨道交通已经从智能交通往智慧交通发展，智慧交通中核心就是需要实现智能运维。智能运维技术面向列车运行的复杂环节，高度运用物联网、大数据、云计算和人工智能等技术，形成一套具有列车状态感知与跟踪、故障诊断预警、剩余寿命预测、运维智能决策、作业自动化等能力的智慧系统，实现列车运维精准管理。在此前提下，对于行业员工新技术、新技能提升已经提上日程.各地城市轨道交通人力培训成本占到日常运营总成本50%以上，通过校企共建实训基地，利用职业院校所建成的VR实训室进行员工培训，可以节省大量设备建设和维护成本，达到设备共用的目的。VR技术经过多年发展，在各院校已经成为一项稳定实现实训教学的方式，校企合作共建专业实训室既能解决学校实训室与企业现场脱节问题，也能充分利用学校实训室对企业员工进行培训和提升，达到实训室功能的有效利用，避免重复建设浪费资源的问题。

以成都铁路局电务部重庆电务段为例，重庆电务段培训基地在北碚火车站，主要设备为现场设备利旧使用，现场各电务段均采用此类方式建设职工培训基地，现场设备到达使用年限后，在现场无法继续使用，但能满足教学需求，企业培训基地同样面临培训基地建设场地不足、工位不足问题，而此类培训基地只能完成车站基础设备及联锁系统基础培训，受实际场地限制，无法完全贴合铁路现场，对于列控、联锁等几大系统之间的功能也只能进行理论教学。为解决此类问题，近几年成都铁路局电务部、重庆轨道集团等单位也在积极与各地职业院校交流，希望能达到共建专业实训室，同时利用高校实训室完成新人职员工技能培训要求，并将新员工人职考核地点落户各高校，既能解决高校学生顶岗实习无法到现场去的问题，又能解决员工培训问题，缩短新员工人职培训时间，降低培训成本，让新员工能更快达到上岗要求。

以重庆公共运输学院为例，学院与江西科骏实业有限公司合作共建的虚拟仿真（VR/AR）创新实验实训中心，已经顺利通过验收，该实训中心建设完成后，重庆公共运输职业学院将利用已有轨道交通类专业实训室承担每年成都铁路局的“2+1”定向培训、司机提职培训等各类培训，负责新人职员工岗前培训，解决企业培训难题。

四、轨道交通专业实践教学应用虚拟现实技术的优势与意义

以铁道信号自动控制专业为例，当前各铁路局及轨道交通集团对于新进信号专业岗位员工要求需达到中级信号工水准，要求学生能够独立完成各项信号基础设备的集中检修与测试，能对现场信号基础设备出现的简单突发故障进行处理，对于学生理论知识和技能要求进一步提高。而信号设备几乎包括轨道交通行业车站内所有主要设备，要达到相关岗位要求，需要学生有大量时间进行实践技能能力训练，就进一步要求各院校完善相关设备，并且工位数能满足学生训练要求，通过与相关信号设备生产厂家调研发现，要利用现场设备达到上述要求存在各类问题。

（一）传统实训室教学存在的问题

1.学校前期投入大

以信号专业技能当中一个实现模块“转辙机集中检修与测试”为例，若学校按照小班配置，一个班级30名学生，在实训课程授课中需要达到所有同学都能进行练习而不是体验的要求，针对一个班级的授课，至少需要6台转辙机才能满足至少5人为一组的分组练习;且以重庆地区为例，通过调研成都铁路局、重庆轨道集团和重庆铁路集团等大型轨道交通国有企业发现，现场常用转辙机型号就包括ZYJ7、ZY4、ZDJ9、ZD6等多个型号，为满足企业人才培养需要，至少需要建设两个型号设备，已经转辙机连接的线路，仅此一个实训项目投入造价就上百万。

2.进行后期维护成本高

对于高校实训室建设最大难点在于后期维护保养，由于大部分教师缺少现场工作经验，缺乏现场设备维护经验，遇到设备故障也无法解决，加上学院实训设备使用频繁，导致大部分实训设备由于保养不到位，建成不久就无法使用的情况，若聘请厂家人员维护又需要较高维护费用。

3.实训时安全性

任何实训项目都存在安全性，而学校对于安全性要求较高，加之学生对于设备不了解，对于现场安全要求不够重视，容易出现学生私自操作设备导致一些显性的安全事故;除此之外，一些隐性安全问题也同样存在，例如实训课配备两位教师授课，也容易出现实训教师很难全面关注每个学生的操作行为，也可能成为事故隐患。而部分院校处于安全角度考虑，无法完全按照现场要求开设实训项目，导致影响到学生基础技能掌握，降低实训课程整体教学质量等问题。

4.教学条件无法契合企业环境

轨道交通行业为了培养学生大国工匠精神，各院校在实训室建设过程中都会让实训室尽量贴合企业现场环境，让学生在教学期间就熟悉相关安全要求，但同样会导致实训环境受天气影响较大，例如夏天室外天气过热，会导致学生上课效率降低，实训条件相对落后的问题。

以上各类问题逐渐成为信号类专业建设的最大难题，VR技术的引入能够很好地解决以上各类问题。

（二）VR系统在实践教学中的优势

VR技术能够很好地解决以上各类问题，让学生学习摆脱了场地限制，提升实训教学效果，增强学生学习兴趣。

1.解决实训场地问题

利用VR技术，打破了传统的实训室教学模式，学生可以在机房实现实训设备的拆装，掌握各实训设备基本结构，利用理实一体化教学，让学生更容易掌握各类基础知识，也降低了实训室建设场地要求，可以将场地用于更需要现场操作的实训室建设。

2.实训项目建设投入降低

VR实训室的建设主要成本在与硬件设备的搭建以及后续课程开发的投入，现各学院采用的是整合各专业教师资源，充分利用专业教师与基础课教师进行课程共建，既降低了前期投入成本，也让教师充分参与课程建设，解决后期课程内容更新问题，让课程能跟上现场技术要求，充分提升教师信息化教学能力。

3.提高实训教学安全性

在信号类实训课程中存在较多安全隐患，信号专业属于电务系统，会长期接触各类220V与380V电源，在实训要求中对于安全操作要求高，避免学生出现触电危险，部分机械部件的更换检查易出现砸伤危险，传动机械易出现肢体伤害的安全隐患。利用VR技术能将部分安全性要求高，极易发生安全事故的实训项目利用虚拟仿真技术实现，在虚拟环境中去模拟现场操作，即使学生出现操作失误，也不会造成实际财产损失以及安全事故，让学生既掌握了技能，又避免了安全隐患，更符合学校教学要求。

五、虚拟现实技术在职业教育中存在的问题

（一）虚拟现实技术硬件与技术问题

在虚拟现实技术中，设备至关重要，其中头戴式设备使用时间较长后容易出现眩晕感，而桌面式虚拟现实系统教学与软件开发相互分离，导致一线教师对于课堂掌控不够，更多只能作为使用者存在。

（三）教師教学能力的问题

虚拟现实技术对于一线教师来说属于新型技术，教师对于虚拟现实技术在实际教学应用中停留于表面，需要教师具备熟练运用虚拟现实技术的能力;另一方面传统教学内容无法满足虚拟现实教学，传统教学内容更多的是基础性知识，缺乏真实环境下的应用性知识，相较于传统教学，教师需要在课堂内容上增加相关真实工作情境内容。

结语

通过对大量虚拟现实技术相关文章的发文统计，发现至2016年虚拟现实技术相关文章发布量相较于之前有了大幅度的增长，将2016年称之为虚拟现实技术元年。经过近几年各项新技术发展，特别是随着5G技术的发展，进一步解决了虚拟现实技术数据传输失真方面的问题，增加了VR的使用范围，达到真正的交互式、沉浸式的教学。未来的教学模式将变得更身临其境，VR技术能进一步帮助教师提升教学质量，丰富教学形式，也能进一步提升教师教学水平。

随着教育形式的多样化发展以及前沿信息化技术在教育领域的深入应用，VR/AR将推动教师回归教育本质。